大气压变化对采空区瓦斯外涌的影响研究

曹宁宁

(天地(常州)自动化股份有限公司，江苏 常州 213015)

西北某矿虽然在综采结束以后对东107采空区进行了严格密封处理，但是由于密封墙缝隙的存在，同时该矿井属于高瓦斯矿井，在东107密闭采空区的外部巷道中仍然能够检测到瓦斯气体的存在，而且瓦斯的外涌量与地表大气压的变化有着密切联系，因此为了保障矿井人员的安全和矿井的安全生产，有必要对大气压与采空区瓦斯外涌的规律进行研究，并提出合理的防治措施，为煤矿的采空区瓦斯治理提供参考[1]。

西北某矿地处山区，全年温差较大，干旱少雨， 矿井的平均总进风量和平均总排风量分别为5 197 m3/min、5 716 m3/min.矿井的煤层结构复杂，煤层顶板平均厚度为6.25 m，主要为铝质泥岩，底板主要由碳质、砂质泥岩和粉砂岩组成。矿井瓦斯级别为高瓦斯，经过长期数据测定，矿井绝对瓦斯涌出量为10.42 m3/min，相对瓦斯涌出量为45.93 m3/t，矿井属于易燃煤层，每年的煤层自然发火期高达5个月。

1 东107密闭采空区数据监测及结果分析

1.1 东107密闭采空区简介

东107密闭采空区原有工作面的煤层结构较为复杂，而且不同区域的煤层厚度相差较大，平均厚度为10.5 m左右，工作面的地形为单一斜形构造，采用东西走向布置，总长度为918 m，斜坡的倾斜长度为120 m，工作面的回采利用大型机械结合放顶煤开采方法进行，其中对于采空区顶板的处理方法为自然掉落。采掘工作结束以后利用5堵密封墙对东107采空区的巷道出入口进行密封处理，东107密闭采空区的巷道布置情况如图1所示。

图1 东107采空区巷道布置

从图1中能够清楚看到东107密闭采空区的实际构造情况，为了实现对该采空区与外部巷道之间的压力和瓦斯外涌情况的实时数据监测，依托采空区的结构和密封墙位置，设置2个测点，在图1中的A区域建立测点，测点的具体位置如图2所示。

图2 测点位置

结合图1与图2可以看出，测点1用于监测并采集东107运输巷即采空区内部的数据，测点2用于监测并采集采空区外部巷道中的数据。为了对矿井外部的大气参数进行监测，在矿井地面合适位置设立地表大气压监测点，地面与井下同步监测大气压变化与采空区压力和瓦斯外涌的波动情况。

1.2 监测数据及结果分析

结合东107密闭采空区的平面布置图与测点设置情况，并依据大气压与采空区瓦斯外涌变化规律的研究需求，研究并建立了地面与矿井联合在线监测系统[2]。该系统能够实现地面和井下测点参数的多维度实时监测，其中地面测点主要用于对地表大气压和地表温度参数进行实时监测采集，测点1、测点2联合使用主要用于监测和采集采空区内部的绝压、采空区内部与外部巷道之间的差压、采空区外部巷道中的瓦斯浓度即采空区瓦斯外涌浓度。

自2021年10月份开始对东107密闭采空区的测点数据进行长期监测，通过地面与矿井联合在线监测系统的地面主机定时保存采集数据并生成报表和数据曲线。为了提高研究结果的有效性，选取最具有代表性的两组数据进行分析大气压与采空区压力变化的关系，大气压与采空区压力变化曲线如图3和图4所示，大气压与采空区瓦斯外涌量的关系曲线如图5所示。对于采空区与外部巷道之间的差压监测，由于差压传感器的常压口在采空区外部巷道，负压口在采空区内部，因此差压为正则表明采空区外部气压大于内部，差压为负则表明采空区外部气压小于内部。

图3 大气压与采空区压力变化曲线1

图4 大气压与采空区压力变化曲线2

图5 大气压与采空区瓦斯外涌变化曲线

通过图3、图4能够发现大气压与采空区压力变化的规律：采空区内部的绝压与地表绝压保持相同的变化趋势，虽然两者在一天当中的某些时间段内数值不能保持一致，但是总的变化趋势是一致的；采空区内外差压与大气压的变化趋势截然相反，当大气压增加时，采空区内外差压减小，当大气压减小时，采空区内外差压增加，正是由于采空区内外差压随着大气压变化而波动，导致采空区“呼吸现象”的产生；地表温度对采空区内外差压的影响是正向的，但是采空区内外差压的变化相对于地表温度的改变在时间点上有一个延迟。从图5中能够看出采空区瓦斯涌出量与大气压保持相反的变化趋势，当大气压急剧下降时，瓦斯涌出量迅速上升，在大气压达到最低点时，瓦斯涌出量到达峰值；同理，当大气压快速上升时，瓦斯涌出量持续下降。

通过对多日数据进行连续采集和研究，同时将大气压与采空区压力变化的关系和大气压与采空区瓦斯外涌波动的关系联合起来分析，能够得出规律：大气压受地表温度变化的影响，两者保持相反的变化趋势，地表温度上升时，大气压呈现下降趋势，地表温度下降时，大气压呈现上升趋势，但是大气压相对于地表温度的变化有一个滞后，大气压并不是随着地表温度的变化立马就能够做出动作。然而大气压对采空区内外差压的影响是实时无延迟的，大气压的变化造成采空区呈现出有规律的 “膨胀—收缩”的 “呼吸现象”[3]，当大气压上升时，采空区外部巷道新鲜空气进入采空区内部，当大气压下降时，采空区内部含有瓦斯的气体涌出至外部巷道。

2 影响机理分析

在密封墙无法做到采空区绝对密封的先决条件下，大气压利用密封墙缝隙对采空区与外部巷道气体的交换进行作用[1]。基于此，采空区内部的瓦斯气体外涌与大气压的变化有最直接的关系。由于采空区外部巷道风压的作用，采空区与外部巷道的连接处存在一个隐形的“活塞”，有关气体方程为：

PV=nRT

(1)

式中:P为压强,Pa；V为体积,m3；n为物质的量,mol；T为体系温度,K；R为常数,8.314 51 J/(mol·K).

从公式(1)能够知道，采空区就如同装满瓦斯等混合气体的容器，气体承受的压强越大，那么气体的体积必然会压缩，相反，气体上的压强减小时，其体积就会随之膨胀[4]。因此当地表大气压急剧增加时，矿井中工作面和巷道中的风压就会升高，风压对采空区施加的压强增加，使得采空区进入“负压”状态，此时外部巷道处于“正压”，新鲜空气随着密闭墙缝隙进入采空区；同时当地表大气压急剧下降时，外部巷道的风压减弱，采空区逐渐变为“正压”，此时采空区内部诸如瓦斯等气体涌出至压力小的外部巷道甚至工作面[5]。

3 防治措施

1) 加强地面和井下防堵工作。由于密封墙缝隙的存在，加剧了地表大气压对采空区瓦斯外涌的影响程度，因此为了防止瓦斯外涌对矿井工作人员的身体健康和工作面的安全生产造成危害[6]，有以下措施：①必须优化密封墙的安装结构和组成材料，减小缝隙的存在；②同时加强喷浆处理，以减弱大气压变化对采空区内外差压波动的影响程度，降低瓦斯外涌量；③对采空区上方的地表裂缝进行回填封堵，减小地表漏风的影响。

2) 优化采空区瓦斯监测与治理系统。①加强地表大气参数的实时监测预警和瓦斯抽采系统的高效运用管理工作，并将瓦斯的监测与预警进行协同控制；②对矿井通风系统的防治技术和体系进行合理优化和调整，对通风阻力大的巷道进行改造，可通过增加断面来降低风阻，确保采空区内部与外部巷道之间的压差保持在一个稳定状态，削弱采空区的“呼吸”与大气压的关联程度，防止地表大气压急剧下降时造成采空区内部瓦斯气体大量外涌情况的发生[8]。

依据大气压与采空区瓦斯外涌的变化规律并利用以上防治措施，对西北某矿东107密闭采空区的地面裂缝进行填充和强化井下密封墙的密封效果，并采取措施减小通风阻力，加强地面大气参数和采空区压力、瓦斯外涌的监测，同时基于监测数据协调控制瓦斯的抽采，治理后采集到的大气压与采空区的变化曲线如图6所示。

图6 治理后大气压与采空区瓦斯外涌曲线

与图3和图4相比较，从图6中能够看出，在大气压急剧上升和剧烈下降的时间段内，采空区内外差压虽然也会有反向趋势变化，但是变化幅度已经趋于平缓，说明采空区差压受大气压变化的影响程度得到减弱。同时采空区的瓦斯只在大气压急剧下降的时期有极少量外涌出来，综合以上情况表明：防治措施可有效预防采空区的瓦斯外涌。

4 结 语

1) 通过利用西北某矿东107密闭采空区实验平台，经过长期的数据采集分析，研究表明：地表温度影响地表大气压的变化，两者保持相反的变化趋势，有一个时间滞后性；地表大气压的改变直接作用于采空区内外差压，是即时性的，不存在延时，两者变化趋势相反；采空区内差压大于外差压时瓦斯外涌。简言之，大气压急剧下降时造成采空区内部的瓦斯气体涌向外部巷道和工作面。

2) 应用采空区瓦斯外涌的防治措施后，可在地表大气压急剧下降时期，增强采空区内外差压的稳定性，可有效抑制采空区瓦斯的异常涌出，对有同类问题的矿井采空区瓦斯治理有一定借鉴意义。